孫紅，吳玉厚

(沈陽建筑大學交通與機械工程學院，遼寧沈陽110168)

摘要：目的優化質子交換膜(PEM)燃料電池的操作參數，提高PEM燃料電池的性能和穩定性，降低成本。方法運用燃料電池測試站對有效面積為16cm2的PEM燃料電池單體的伏安特性和功率密度進行了實驗，分析了空氣流量、氫氣流量和背壓對PEM燃料電池性能和功率密度的影響。結果試驗結果發現：增大空氣流量，燃料電池的性能可以持續提高；增大氫氣的流量，電池性能先提高，但流量達到一定值后，性能幾乎不變；增大電池背壓，電池性能提高。結論電極的淹沒現象主要存在于PEM燃料電池的陰極；實驗條件下，氫氣流量存在最佳值。

目前，PEM燃料電池及其系統的研究和開發已經取得顯著成果，但昂貴的成本仍然是其難以商業化的主要障礙。提高性能，降低成本是PEM燃料電池研究的主要方向之一。Wang和Liu等人以及吳玉厚等人實驗研究了操作參數對蛇形流道和交叉指狀流道PEM燃料電池性能的影響。Wang、Hakenjos和Liu等人通過測量局部電流密度研究了PEM燃料電池的性能，優化操作參數。在理論模擬研究上，Liu、Wang、和Sun等分別建立了PEM燃料電池內傳熱傳質的二維、三維和二維兩相流模型，研究了操作參數和電池結構對其內部傳熱傳質規律的影響。這些研究成果對PEM燃料電池的優化設計和性能的提高具有重要意義。

為了保證PEM燃料電池處于高性能狀態，必須根據燃料電池的實際工作環境，選擇合理的操作參數。筆者對PEM燃料電池單體的性能和功率密度進行了實驗。分析了電池壓力、氫氣流量和空氣流量對PEM燃料電池性能的影響。

1實驗及其裝置

筆者實驗中采用燃料電池測試系統來測量PEM燃料電池的伏安曲線和電壓變化曲線。這套測試系統可以通過計算機自動測量和控制燃料電池的加熱溫度、加濕溫度、背壓和反應氣體流量。用加濕器來對氫氣和空氣加濕，調節加濕器的溫度來控制反應氣體的濕度，質量流量計測量反應氣體流量，電加熱器給電池加溫和加濕后氣體保溫，背壓閥調節反應氣體出口壓力，電子負載測量燃料電池的電流和電壓。系統通過Labview來采集和儲存實驗數據，同時該系統可以設置和讀取燃料電池的電流、電壓、氣體流量、背壓、電池溫度、氣體加濕溫度等參數。燃料電池測試系統基本組成見圖1。

實驗中采用有效面積為16cm2的PEM燃料電池，電池用Nafion112膜，催化劑鉑的載量為0.4mg/cm2，氣體擴散層由多孔碳紙制成。MEA膜安裝在兩塊刻有蛇形流場的石墨板之間，兩塊石墨板外側夾裝兩塊鍍金銅板。實驗中涉及的PEM燃料電池單體的幾何參數見表1。

2實驗步驟

為了準確操作實驗，并取得準確的實驗數據，應遵從一定的實驗步驟。

實驗中，為了確保每個實驗數據的準確性，記錄實驗數據必須是在燃料電池系統處于相對穩定條件下進行，因此必須選擇足夠長的相鄰數據記錄時間間隔。筆者通過對大量實驗和文獻數據的分析，選擇了240s作為相鄰兩個數據記錄的時間間隔。

3實驗結果

本文的研究中共涉及三組實驗結果。每次實驗只改變其中一個操作參數，而其余操作參數都不變，以此來研究這個操作參數對PEM燃料電池性能的影響。

3.1背壓的影響

背壓pFC對PEM燃料電池的伏安特性、功率密度和電壓的影響見圖2(圖中J為電流密度；U為電壓；P為功率密度)、圖3。從圖2可以看出，當背壓從0.1MPa增大到0.26MPa時，PEM燃料電池的伏安特性逐漸得到改善，功率密度也在進一步升高。根據能斯特方程：

式中：PH2、PO2分別為組分氫、氧的分壓；$S為反應的焓變；E0為標準可逆電動勢。從式(1)可以看出，提高背壓能夠增大反應氣體的分壓，提高燃料電池的電動勢，有利于電池性能的提高。圖3顯示了在不同電流密度條件下，背壓對燃料電池電壓的影響。在電流密度較小時，背壓對燃料電池電壓的影響不太明顯。但是隨著電流密度的增大，背壓對電壓的影響日趨明顯。因為增大電池的背壓，將顯著提高反應氣體的傳遞速度，改善PEM燃料電池的性能。

3.2空氣流量的影響

空氣流量qair對PEM燃料電池伏安特性、功率密度和電壓的影響見圖4、圖5。圖4顯示，增大空氣的流量，PEM燃料電池的伏安特性和功率密度逐步提高。圖5顯示了不同電流密度下PEM燃料電池電壓隨空氣流量增加的變化情況。從圖中可以看出，隨著電流密度的增大，空氣流量對PEM燃料電池電壓的影響越來越明顯。這是因為，加大空氣的流量，提高了陰極氣體通道中氧氣的平均濃度，加速氧氣在電池陰極中的傳遞。同時，空氣流量增大，可以帶走電池陰極中更多的液態水，增大氧氣的傳遞速度。

3.3氫氣流量的影響

氫氣流量qH2對PEM燃料電池伏安特性、功率密度和電壓的影響見圖6、圖7。圖6顯示氫氣流量從100mL/min增大到200mL/min，電池性能和功率密度有大幅度提高，而從200mL/min到500mL/min時，PEM燃料電池的伏安特性和功率密度幾乎不變。圖中還可以看出，當氫氣流量為100mL/min和電流密度為0.82A/cm2時，電池電壓迅速下降。從圖7中看出，氫氣流量的增大對PEM燃料電池電壓的影響不太明顯。在氫氣流量為100mL/min時，隨著電流密度的增加，氫氣消耗增加，當電流密度達到0.82A/cm2時，輸入的氫氣量和陽極消耗的氫氣量相等，繼續增大電流密度，會導致電池電壓直線下降。

通過圖4和圖6可以看出：電池性能隨著空氣流量的增大一直提高。而增大氫氣流量時，電池性能先提高，當氫氣流量達到一定值后，電池的性能幾乎不變。說明電池的淹沒現象主要存在于陰極中，增大空氣流量時，空氣可以從陰極中帶出液體水，提高陰極的有效孔隙率，使電池性能持續得到提高。

4結論

(1)升高電池背壓，PEM燃料電池的性能能得到提高；

(2)實驗條件下增大空氣流量，燃料電池的性能可持續升高；

(3)增大氫氣流量，電池的性能先提高，流量達到一定值后，性能幾乎不變，表明實驗條件下，氫氣存在最佳值；

(4)實驗現象表明電極淹沒現象主要出現在電池的陰極。其結果對優化PEM燃料電池的反應氣體流量和背壓、降低電池運行成本具有積極意義。